用于电解的阴离子交换聚合物和膜的制作方法

背景技术：

1、氢气作为电网平衡或电力制气和电力制液过程的能源载体，在迈向环保的低碳能源结构的道路上发挥着重要作用。水电解通过将水电化学分解为氢气和氧气来产生高质量的氢气；该反应由下式1给出。水电解过程是吸热过程，并且电是能量来源。当该方法通过可再生能源诸如风能、太阳能或地热能操作时，水电解具有零碳足迹。主要的水电解技术包括碱性电解、质子交换膜(pem)水电解(如图1所示的pemwe)、阴离子交换膜(aem)水电解(如图2所示的aemwe)和固体氧化物水电解。

2、如图1所示，在pemwe系统100中，阳极105和阴极110被固体pem电解质115隔开，诸如以商标由科慕公司(chemours company)出售的基于磺化四氟乙烯的含氟共聚物(cofluoropolymer)。阳极和阴极催化剂通常分别包含iro2和pt。在带正电的阳极处105，纯水120被氧化以产生氧气125、电子(e-)和质子；该反应由式2给出。质子通过传导质子的pem 115从阳极105传输到阴极110。在带负电的阴极110处，发生还原反应，其中来自阴极110的电子被给予质子以形成氢气130；该反应由式3给出。pem 115不仅将质子从阳极105传导到阴极110，而且分离在水电解反应中产生的h2气体130和o2气体125。pem水电解是用于将可再生能源转化为高纯度氢气的有利方法之一，优点在于，在高压差、高电流密度、高效率、快速响应、小足迹、低温(20℃-90℃)操作以及高纯度氧气副产物下系统设计紧凑。然而，pem水电解的主要挑战之一是电池堆的高资本成本，包括昂贵的耐酸堆硬件(诸如pt涂覆的ti双极板)、电极所需的昂贵的贵金属催化剂以及昂贵的pem。

3、水电解反应：2 h2o→2 h2+o2                (1)

4、pemwe的阳极氧化反应：2 h2o→o2+4 h++4 e-           (2)

5、pemwe的阴极还原反应：2 h++2 e-→h2                  (3)

6、aemwe是发展中的技术。如图2所示，在aemwe系统200中，阳极205和阴极210被固体aem电解质215隔开。通常，具有添加的电解质(诸如稀释的koh或k2co3或去离子水)的水进料220被进料到阴极侧。阳极和阴极催化剂通常包括不含铂族金属的ni基或ni合金催化剂。在带负电的阴极210处，通过添加四个电子，水被还原以形成氢气225和羟基离子；该反应由式4给出。羟基离子通过传导羟基离子的aem 215从阴极210扩散到阳极205。在带正电的阳极205处，羟基离子重组为水和氧气230；该反应由式5给出。aem 215不仅将羟基离子从阴极210传导到阳极205，而且分离在水电解反应中产生的h2 225和o2 230。aem 215允许在高达35巴的高压下制备具有至少99.9％的非常高纯度的氢气225。

7、aemwe的阴极还原反应：4 h2o+4 e-→2 h2+4 oh-        (4)

8、aemwe的阳极氧化反应：4 oh-→2 h2o+o2+4 e-         (5)

9、aemwe具有优于pemwe的优点，因为它允许使用较便宜的不含铂族金属的催化剂，诸如ni和ni合金催化剂。此外，在aemwe的气体扩散层(gdl)中可以使用便宜得多的不锈钢双极板，而不是目前在pemwe中使用的昂贵的pt涂覆的ti双极板。然而，开发aem系统的最大障碍是膜羟基离子传导性和稳定性，以及对如何将催化剂整合到aem系统中的理解不足。文献中对aemwe的研究集中于开发电催化剂、aem，并理解操作机制，其一般目的是获得高效、低成本和稳定的aemwe技术。

10、作为下一代清洁能源的燃料电池将诸如氢气和氧气的氧化/还原氧化还原反应等化学反应的能量转换为电能。三种主要类型的燃料电池是碱性电解质燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池和固体氧化物燃料电池。聚合物电解质膜燃料电池可包括质子交换膜燃料电池(pemfc)、阴离子交换膜燃料电池(aemfc)和直接甲醇燃料电池。pemfc使用pem将质子从阳极传导到阴极，并且它还分离h2气体和o2气体以防止气体交叉。aemfc使用aem将oh-从阴极传导到阳极，并且它还分离h2气体和o2气体以防止气体交叉。

11、电化学电池中的阳极是主要反应为氧化的电极(例如，用于水电解槽的水氧化/析氧反应电极，或用于燃料电池的氢气氧化电极)。电化学电池中的阴极是主要反应为还原的电极(例如，用于水电解槽的质子还原/析氢反应电极，或用于燃料电池的氧气还原电极)。膜是构成电解槽或燃料电池的关键材料之一，并且是安全性和性能的重要驱动因素。用于燃料电池和膜电解的膜的一些重要特性包括高传导性、高离子渗透性、高离子交换容量(对于离子交换膜)、高离子/h2和o2选择性(低h2和o2渗透性/交叉)、低价格、使欧姆极化所导致的效率损失最小化的低面积电阻、对氧化和还原条件的高耐受性、在宽ph范围下是化学惰性的、高热稳定性以及高质子传导性和高机械强度(厚度、低溶胀)。

12、对于在可再生能源系统中具有广泛应用的aem水电解和aemfc，在高性价比、高性能、稳定的催化剂、膜材料以及其他电池堆部件方面需要显著的进步。

技术实现思路

技术特征：

1.一种聚合物，所述聚合物包含多个式(i)的重复单元

2.根据权利要求1所述的聚合物，其中ar1选自由以下项组成的组：

3.根据权利要求1至2中任一项所述的聚合物，其中ar2选自由以下项组成的组：

4.根据权利要求1至3中任一项所述的聚合物，其中x1为

5.根据权利要求1所述的聚合物，其中所述聚合物由单体ar1'、ar2'和x1'合成，其中ar1'选自由以下项组成的组：

6.根据权利要求5所述的聚合物，其中ar1'选自由以下项组成的组：

7.根据权利要求5至6中任一项所述的聚合物，其中ar2'选自由以下项组成的组：

8.根据权利要求5至7中任一项所述的聚合物，其中x1'为

9.一种阴离子交换膜，所述阴离子交换膜包含根据权利要求1至8中任一项所述的聚合物。

10.一种膜电极组件，所述膜电极组件包括：

技术总结
具有高OH"传导性、化学稳定性和机械稳定性的阴离子交换聚合物已被开发用于AEM中。该阴离子交换聚合物具有稳定的疏水性聚合物主链、稳定的亲水性季铵阳离子基团和聚合物侧链上的亲水性酚羟基基团。该聚合物具有不含醚键的聚合物主链、亲水性聚合物侧链和哌啶鎓离子传导官能度，这使得能够在水或CO<subgt;2</subgt;电解、氧化还原液流电池和燃料电池应用中有效且稳定地操作。该聚合物包含多个式(I)的重复单元。还描述了结合该阴离子交换聚合物的阴离子交换膜和膜电极组件。

技术研发人员：巴超逸,刘春庆,董学良
受保护的技术使用者：环球油品有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24